专利名称：320°视场角鱼眼镜头结构的制作方法
技术领域：
本发明专利涉及一种320°视场角鱼眼镜头基础结构形式，具体说是， 使用这种结构形式可以设计出最大320°视场角鱼眼投影镜头、鱼眼照相镜 头和鱼眼监控镜头。可满足与胶片或其它光电藕荷器件CCD的匹配使用、 数字或模拟信号的球幕投影；或用来进行全视场摄影或摄像；也可用于隧道 或管道内臂的探测和监视及安防和军事的全空域监视。
技术背景鱼眼镜头是所有光学镜头类别中非常特殊的一种，属于fe镜头， 一般 用于120°到180°视场环境的拍摄和投影，成像原理为"非相似成像"，即 通过引入定量"畸变"，产生大反远比，增加镜头视场。不同的应用领域， 鱼眼镜头的结构参数和应用环境参数不同。上世纪七十年代，鱼眼镜头在电 影行业首先出现，用来拍摄和放映35mm及70mm胶片的球幕(也称穹幕) 电影，从而引发了鱼眼镜头被广泛使用的序幕。目前市场上的鱼眼镜头包括摄影(摄像)、监控和投影镜头，其视场角 都在180°左右，极个别情况出现视场角210°的情况，未出现更大视场角 镜头原因有三， 一是受具体使用要求限制，二是受到设计难度和设计软件的 限制，三是即使偶尔发现超大视场角鱼眼镜头结构，其光学像差也得以很好 的优化和控制，也大都由于其结构工艺性差而造成价格昂贵或无法量产，而 不具有应用和推广的可能。随着光学设计理论不断取得重大突破，数字图像 处理技术的进步、及素材变形处理能力的提高，对视场角远远大于180°鱼 眼镜头的光学结构像差控制和优化也逐渐成为了可能。 发明内容鉴于现有技术的状况，本发明提供了一种320°视场角鱼眼镜头结构， 利用现代几何光学像差理论基础，通过设计软件的辅助设计并结合人工数学 插值分析方法，合理的分配光焦度，使得结构几何尺寸合理，进一歩提升鱼 眼镜头的视场角，在此形式的基础上完成了本发明。为实现上述目的，本发明根据鱼眼镜头光学设计理论，从经典光学结构出发，通过大量的数据优化和结构再造，找到了可满足绝大多数应用环境、其视场角最大可达320° 。本发明提供的320°视场角鱼眼镜头结构，它具有IO个镜组共13片镜片；其中有三个双胶合组；依次排列有三个负弯月型 透镜，凸面朝前，起加大视场角的作用； 一个双凹透镜，曲率绝对值大的面 朝后； 一个负弯月型透镜，凹面超前凸面超后，起减小前置镜片口径、增加 系统通光孔径作用； 一个双凸透镜，曲率绝对值大的面朝前；接下来是三组 双胶合镜组，和位于所述该三组双胶合镜组前两组之间的光栏。因此，经简 单性能参数的修正就可以用于不同的应用场合，包括拍摄模拟和数字图像、 投影和放映球幕画面、无盲点检测和监视重点区域，可实现镜头的全视场角 2co=320° 。根据本发明的方案，所涉及的前组透镜的光焦度绝对值比，依次为1: 1.4: 7.4: 14.6: 48.2;位于所述光栏前所有透镜的总光焦度Al为负，位于 所述光栏后所有透镜的总光焦度A2为正，光焦度比的绝对值I Al/ A2 I =2: 1。根据本发明的方案，所涉及的鱼眼镜头的参数范围为视场角270° ~ 320° ;反远比L' /f' =4~12;相对孔径D/f' =1/2 1/16。根据本发明的方案，所涉及的鱼眼镜头结构，其鱼眼镜头焦距按比例縮 放全视场像高直径范围lmm 50mm。总之，本发明所具有的积极效果是运用本结构形式创造性地将由球面 组成(不含非球面)的鱼眼镜头的视场角提升到320° ，并保持其他性能不 降低。由于有超大的视场角、较大的相对孔径、超大的反远比和优良的像差 匹配，可以在很多应用领域实现单镜头超视角和近乎全空域、海域和地域的 拍摄和监视，也可以用于对近似全球的球幕进行形变可控的影像等距离投影 和放映，并保证画面的清晰和亮丽。同时，该结构紧凑，成功消除镜片边缘 负厚度的弊端，非常易于加工。另外，所设的前组透镜边缘厚度为"传统意 义"上的负值，但透镜球面曲率允许通过人为矢高加大而使其边缘厚度转化 为正值，而又不致使球面变为超半球的情况，从而具有生产的可操作性。同 时该结构中构成负光焦度的前组透镜间隔匀称，空间距离紧凑，有利于最大 程度的减小镜片的口径，降低生产成本，利于量产。
图l是本发明的结构视图。图2是图l鱼眼镜头各视场光线追迹图。
具体实施方式
下面将结合附图实施例，对本发明的实施和具有的有益效果作进一的详 详说明。由图1所示的320°视场角鱼眼镜头结构，它由IO个镜组13片镜片构 成；其中有三个双胶合镜组。安装位置及方式是依次排列有透镜1、透镜 2、透镜3，均为负弯月型透镜，凸面朝前，起加大视场角的作用；透镜4、 为双凹透镜，曲率绝对值大的面朝后；透镜5为负弯月型透镜，凹面超前凸 面超后，此两透镜起减小第一透镜口径、增大系统孔径作用；透镜6为双凸 透镜，曲率绝对值大的面朝前；双胶合镜组中的透镜7-1和透镜7-2分别为 正弯月型和负弯月型，其凸面均朝前，凹面均超后；双胶合镜组中的透镜S-1和透镜8-2为负弯月型，其凹面均朝前；双胶合镜组中的透镜9-1和透镜 9-2分别为双凸透型、负弯月型胶合而成；其中透镜9-2曲率绝对值大的面 为胶合面，透镜10为双凸透镜，曲率绝对值大的面朝前；在整个镜头光学 结构中，光栏位于透镜7-2和透镜8-l之间。其中，所述的前组透镜1一5的 光焦度绝对值比，依次为1: 1.4: 7.4: 14.6: 48.2;和位于所述光栏的前组 透镜l.至透镜7-2的总光焦度为负，后组透镜8-1至透镜10的总光焦度为 正，其总光焦度比的绝对值为2: 1。在本实施例中，所涉及鱼眼镜头的参数范围为视场角270° ~ 320° 反远比L' /f' =4 12;相对孔径D/ f' =1/2 1/16。在本实施例中，所涉及的鱼眼镜头结构，其鱼眼镜头焦距按比 例縮放全视场像高直径范围lmm 50mm。根据本发明的特点，设计成一款视场角320°用于1/3英寸靶面彩色 CCD的监控鱼眼镜头。该镜头基本参数如下焦距f' =1.22mm;相对孔 径D/f' =1/1.8;全视场角2" =320° ;其光学后截距L' =9.3mm; 镜头光学总长度L=50.84mm;镜头最大镜片口径O76mm。 口径最大的第 一镜片的材料为最常用光学材料K9 (Nd=1.5168)。依据光学设计理论和鱼眼镜头设计方法，选择一组常规视场角(50° ~90° )广角镜头结构，计算这些结构的各种光学指标，挑选反远比和相对孔径较大的结构作为设计初始结构，在此结构基础上，重点关注光线在前组镜 片上各表面的入射及出射角度和高度，以及各表面的畸变贡献值。独立计算光栏前所有镜片构成的前镜组光焦度Al和光栏后所有镜片构成的后镜组的 光焦度A2，并计算光焦度比值e，使3=八1/八2=-2。此后，在镜头的最前 面加入负弯月透镜，同时考虑所加入的镜片的最大视场光线在该透镜两个面 上的高度，保证该片镜片出射的光线髙度和原选择基础结构的入射高度及角 度的匹配，同时要保证新加入镜片光焦度值为原第一镜片值的1.4到3.5倍(绝对值)，再整体计算像差和参数，关注焦距、后工作距、孔径、及适应 像高的变化情况，把这些值调整到设计目标值。值得说明的是，加入新镜片 会改变镜头前组的光焦度，再按照之前计算的前、后组光焦度的比值P调整 后组的光焦度，使光焦度的比值控制在原焦度比值，照此方法可以在原光学 系统前重复加入镜片，直到视场角达到要求为止。在优化过程中注意随时更 新和调整优化目标值。 一般在几个逐次逼近过程中，会初步得到允许光线通 过的结构，然后计算超半球和曲率的变化规律，为处理边缘负厚度留有镜片 口径增大的空间。照此方法理论上可以获得很多具有大视场角的结构，但这 些结构性能一般各不相同，仍需要对初步形成的这些结构进行参数和像差的 优化，从中选取具有潜力的结构进行像差和性能参数的再优化。如图2给出了 320°视场角鱼眼镜头结构的光学追迹图。最边缘入射下 光线和光轴正夹角为160° ，可注意到1、 2两透镜的边缘厚度为负厚度(软件判定)，在实际生产中要做人为放大口径处理，但放大口径通常会引 起透镜发生"超半球"现象，本结构通过合理调整前两透镜的四镜面的曲 率，对适当增加镜片口径留有余地，所以在实际加工中可成功避免"超半 球"现象的发生。根据鱼眼镜头光学设计理论，从经典光学结构出发，通过大量的数据优 化和结构再造，找到了可满足绝大多数应用环境、其视场角最大可达320° 鱼眼镜头的一种结构形式。该结构的像差匹配优良、形式简单，所有光学镜 片均为标准球面，所采用光学玻璃材料都是常用材料，最大镜片口径和镜片 最小边缘厚度都具有很好的工艺性。在此结构形式基础上经简单性能参数的修正就可以用于不同的应用场合，包括拍摄模拟和数字图像、投影和放映球幕画面、无盲点检测和监视重点区域。可实现镜头的全视场角2 "=320° 、 相对孔径最大为D/f' =1/1.8 (D为镜头入瞳直径)、镜头光学后截距L'和 焦距f'的比值(反远比)L' /f>=8。
权利要求
1. 一种具有320°视场角的鱼眼镜头结构，其特征是它具有依次排列的负弯月型透镜(1、2、3)、双凹型透镜(4)、负弯月型透镜(5)、双凸型透镜(6)、正负弯月型双胶合镜组(7-1、7-2)、负弯月型双胶合镜组(8-1、8-2)、双凸、负弯月镜组(9-1、9-2)、双凸透镜(10)的10个镜组13片镜片；其中，在所述镜片(7-2)和(8-1)之间设置光栏。
2. 按权利要求1所述的鱼眼镜头结构，其特征是所述透镜(1—5)的 光焦度绝对值比依次为1: 1.4: 7.4: 14.6: 48.2;位于光栏前组透镜(1一7-2)和后组透镜(8-1_10)的总光焦度绝对值比为2: 1。
3. 按权利要求1所述的鱼眼镜头结构，其特征是所述鱼眼镜头参数范 围为视场角270° 320° ;反远比L' /f' =4~12;相对孔径D/ f' =1/2 1/16。
4. 按权利要求1、 2所述的鱼眼镜头结构，其特征是鱼眼镜头焦距按比 例縮放全视场像高直径范围lmm 50mm。
全文摘要
本发明公开了一种它具有10个镜组共13片镜片；其中有三个双胶合组；依次排列有三个负弯月型透镜，凸面朝前，起加大视场角的作用；一个双凹透镜，曲率绝对值大的面朝后；一个负弯月型透镜，凹面超前凸面超后，起减小前置镜片口径、增加系统通光孔径作用；一个双凸透镜，曲率绝对值大的面朝前；接下来是三组双胶合镜组，和位于所述该三组双胶合镜组前两组之间的光栏。
文档编号G02B13/00GK101266330SQ20081005486
公开日2008年9月17日 申请日期2008年4月23日 优先权日2008年4月23日
发明者琛 陈 申请人:秦皇岛视听机械研究所